KR20050080372A

KR20050080372A - 다수의 송신수신 안테나를 사용하는 이동통신시스템에서의 신호 전송방법

Info

Publication number: KR20050080372A
Application number: KR1020040008450A
Authority: KR
Inventors: 심동희; 허강석; 이희정
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-12

Abstract

본 발명은 다수의 송신수신 안테나를 사용하는 이동통신 시스템에서의 신호 전송방법에 관한 것으로서, 송신단은 2개의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 각 송신 안테나에 대하여 시공간 다중화(STTD)하고, 각 송신 안테나에 대한 채널행렬의 고유벡터를 웨이트 벡터로 사용하여 빔형성을 수행하고, 4개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 2개씩 송신 안테나쌍을 형성하여 시공간 다중화(STTD)하고, 각 송신 안테나 쌍에 대한 채널행렬의 고유벡터를 웨이트 벡터로 사용하여 빔형성을 수행한다.

Description

다수의 송신수신 안테나를 사용하는 이동통신 시스템에서의 신호 전송방법 {METHOD FOR TRANSMITTING SIGNAL USING PLURALITY OF TRANSMISSION/RECEPTION ANTENNAS IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 다수의 송신 및 수신 안테나를 사용하는 이동 통신 시스템에서의 신호 전송방법에 관한 것이다.

현재 W-CDMA 무선 규격인 3GPP(Third Generation Partnership Project)에서 주관하는 IMT-2000시스템에서는 개루프(Open loop) 형태의 대표적인 전송 다이버시티 기법으로서 시공간전송 다이버시티(Space Time Transmit Diversity: STTD)를 채택하고 있다. 상기 STTD는 시간축상에서 주로 적용되던 채널부호화(Channel coding)기법을 공간상으로 확장시킨 시공간 부호화(Space-Time coding)를 통해 다이버시티 이득을 얻는 방식이다.

상기 STTD는 WCDMA의 동기채널(Synchronization Channel:SCH)를 제외한 모든 하향 물리채널에 적용이 가능하며, 특히 수신단에서 송신단으로의 피드백 정보가 필요는 장점을 갖는다.

상기 STTD기법은 두 개의 송신 안테나와 단일 수신 안테나를 이용하며, 두 개의 안테나를 통하여 전송되는 심볼들간의 시공간상의 간단한 코딩을 통하여 시간적인 다이버시티 이득 뿐 아니라 공간적인 다이버시티 이득도 얻으려는 데 목적이 있다. 이를 위하여 종래의 STTD시스템은 두개의 송신 안테나를 요구하며 아울러 두개의 송신 안테나로 전송되는 심볼간의 코딩을 위하여 시공간코딩 블록(STTD인코더)을 필요로 한다. STTD의 동작원리는 다음[표 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[표 1]

	Time t	Time t+T
Antenna 1
Antenna 2

여기서, 상기 *은 공액(conjugate)을 의미한다.

[표 1]에 도시된 바와 같이 송신될 심볼은 STTD인코더에서 인코딩된 다음 시간 순서에 따라 안테나 1, 2로 각각 송신된다. 각각의 안테나로 송신된 신호는 서로 다른 독립적인 채널을 거치는데, 만약 시간 에서의 채널과 (T:심볼주기)에서의 채널이 같다고 가정할 경우 수신단의 수신신호는 다음 [수학식 1]과 같이 표현된다.

[수학식 1]

여기서 , 는 각 송신 안테나와 단일 수신 안테나간의 채널을 의미하며, 및 는 수신단에서의 백색 가우시안 잡음(AWGN : Additive White Gaussian Noise)을 나타낸다. 이때, 상기 각 채널(, )은 각 송신 안테나에서 전송된 파일럿신호의 패턴으로부터 추정할 수 있다.

따라서, 수신단에서 상기 수신신호를 [수학식 2]와 같이 결합을 하게 되면 수신 다이버시티의 MRC(Maximum Ratio Combining)방식과 같은 값을 얻을 수 있으며, 이를 바탕으로 송신된 심볼을 추정할 수 있게 된다.

[수학식 2]

도 1는 빔형성과 결합된 종래의 STTD 시스템의 구성도이다.

도 1을 D-STTD시스템을 통해 전송될 심볼(신호)은 역다중화기(10)에서 역다중화된 후 각 변조기(11,12)로 입력된다. 각 변조기(11,12) 및 STTD인코더(13,14)는 수신단에서 피드백된 MCS를 참고로 선택된 변조 및 코딩 레이트(coding rate)를 이용하여 전송신호를 각각 변조 및 코딩한다. 이때, 각 변조기(11,12)에서 STTD 인코더(13,14)로 두 개의 심볼이 한꺼번에 입력된다.

빔포밍부(15,16)는 각 STTD인코더(13,14)에서 시공간 부호화(STTD)된 심볼(예를들면 s₁, s₂)에 고유벡터를 곱하여 빔형성을 실시한 다음 각 송신 안테나를 통하여 전송한다. 이후, 송신 심볼에 부가적인 빔형성을 실시하기 위한 신호 처리 연산을 수식으로 정리하면 다음 [수학식 3]과 같다.

[수학식 3]

여기서, 는 송신 안테나들간의 상관(correlation)행렬의 반자승 행렬()의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터를 나타낸다. 또한, 는 2개의 송신 안테나를 사용할 때 로 정의될 수 있다. 이때, 상기 및 ()는 의 고유값을 나타내고, 또한 와 는 각각 심볼 에너지와 가우시안 잡음의 에너지를 나타낸다.

수신단에서는 이미 MCS 및 고유벡터값(, )를 알고 있기 때문에 각 STTD디코더(17,18)및 복조기(19,20)는 MCS 및 고유벡터을 참고로 수신신호를 디코딩 및 복조하며, 각 복조기(19,20)에서 복조된 수신신호는 다중화부(21)에서 직렬 데이터로 변환됨으로써 원래의 데이터 스트림으로 복원된다.

이때, 수신단의 채널 예측기(22)는 수신신호를 수신하여 D-STTD 채널 행렬을 추정하고, MCS선택부(23)는 상기 추정된 각 데이터 스트림의 신호 대 간섭 잡음비(SINR)를 계산하여, 각 데이터 스트림의 SINR에 해당하는 MCS를 선택한 다음 송신단으로 피드백시킨다.

그런데, STTD에 빔포밍을 결합하는 종래의 신호전송방법은 2개의 송신안테나를 사용할 경우에 국한된 신호 처리 방법으로서 2개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 그대로 적용하기 어렵다.

또한, 종래의 신호 전송방법에서는 상관행렬(송신 안테나간의 상관값을 행렬로 구성한)의 반자승 행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터를 빔형성을 위한 웨이트 값으로 사용하고 있다. 그런데, 실제로 송신 안테나 간의 상관값을 행렬로 구성한 송신단의 상관행렬의 값을 구하는 것은 매우 어렵기 때문에 종래의 빔형성이 결합된 STTD는 현실적으로 적용하기에 어려운 면이 있다.

즉, 종래에는 STTD시스템에서 2개의 송신안테나를 사용하는 경우, 송신 안테나간의 상관값으로 구성된 상관 행렬의 최대 고유치에 해당하는 고유벡터를 구할 수 있다고 가정하고 이를 빔형성에 사용할 웨이트값으로 사용하였다. 그런데, 실제 환경에서 송신 안테나간의 상관값을 구하는 것은 매우 어렵고 그 값 역시 시간에 따라 변할 수도 있기 때문에 종래의 송신 안테나간의 상관값을 이용하여 웨이트값을 구하는 방법은 실제로 적용하기 어렵다고 할 수 있다.

또한, 수신단 안테나가 1개 이상일 경우 수신단 안테나간의 상관값도 고려해야 하지만 종래의 방법은 송신 안테나간의 상관만을 적용한 것이므로 현실적인 방법이라고 할 수가 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 빔형성이 결합된 STTD방법을 보다 효율적으로 적용하기 위한 신호 전송방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 각 안테나쌍별로 시공간다중화(STTD) 및 빔형성을 수행함으로써 데이터 전송속도 및 데이터 수신율을 향상시킬 수 있는 신호 전송방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수신단에서 측정한 채널행렬에 대한 고유값과 고유벡터를 이용하여 빔형성에 사용될 웨이트값으로 계산하고, 그 계산된 웨이트값을 송신단으로 피드백하는 신호 전송방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 송신 심볼에 대하여 시공간다중화(STTD) 및 빔형성을 수행하여 송신 안테나를 통해 전송하는 시공간전송 다이버시티(STTD)시스템에 있어서, 본 발명에 따른 신호 전송방법은, 2개의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 각 송신 안테나에 대하여 시공간 다중화하고, 각 송신 안테나에 대한 채널행렬의 고유벡터를 웨이트 벡터로 사용하여 빔형성을 수행한다.

바람직하게, 상기 채널행렬은 송신 안테나간의 상관값, 수신 안테나 간의 상관값 및 무선 채널 환경에서의 채널값을 모두 포함한다.

바람직하게, 상기 고유벡터는 수신단에서 송신단으로 피드백되며, 수신단에서 측정한 채널행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 송신 심볼에 대하여 시공간다중화(STTD) 및 빔형성을 수행하여 수신단으로 전송하는 시공간전송 다이버시티(STTD)시스템에 있어서, 본 발명에 따른 신호 전송방법은, 4개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 2개씩 송신 안테나쌍을 형성하여 시공간 다중화하고, 각 송신 안테나 쌍에 대한 채널행렬의 고유벡터를 웨이트 벡터로 사용하여 빔형성을 수행한다.

바람직하게, 상기 빔형성에 사용하는 웨이트 벡터는 각 안테나 쌍에 대한 수신단에서 측정한 실제 채널 행렬의 고유 벡터이다.

바람직하게, 상기 고유벡터는 수신단에서 송신단으로 피드백되며, 수신단에서 실제로 측정한 채널행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터이다.

바람직하게, 상기 수신단은 순간 최대 수신 데이터 량이 가장 큰 송신 안테나 쌍과 해당 안테나 쌍에 대한 채널행렬의 고유벡터를 수신단으로 피드백한다.

본 발명은 다수의 송신 및 수신 안테나를 사용하는 STTD시스템에서 에서 적용된다. 그러나, 본 발명은 다른 표준에 따라 동작하는 통신 시스템에도 적용되어 질 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예들을 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 빔형성이 결합된 STTD시스템에서 빔형성을 수행하기 위한 웨이트 값을 계산하는 방법을 제안하며 아울러 송신 안테나가 2개 이상인 경우 빔형성이 결합된 STTD 방법을 효과적으로 적용하기 위한 방법을 제안한다.

이를 위하여 종래에는 송신 안테나간의 상관값만으로 구성된 상관행렬의 고유벡터를 사용하여 웨이트값을 구하였지만, 본 발명에서는 송신 안테나간의 상관, 무선 환경에서의 채널 상태 및 수신 안테나간의 상관값이 모두 포함된 수신단에서 측정한 채널 행렬을 송신단 상관행렬의 고유벡터를 구하는데 사용한다.

또한, 본 발명은 송신 안테나가 2개 이상인 경우 송신 안테나를 2개씩 짝을 지은 다음 각 송신 안테나쌍을 통해 전송될 심볼에 대하여 시공간다중화(STTD) 및 빔포밍을 수행하여 전송한다.

도 2는 본 발명에 따른 빔형성과 결합된 STTD 시스템의 구성도이다. 도 2에 도시된 STTD시스템의 구성은 도 1의 구성과 동일하며, 종래와 동일한 부분은 동일한 번호를 부여한다.

도 2를 참조하면 실제로 수신단의 채널 예측기(22)에서 측정한 채널 행렬()은 다음 [수학식 4]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

여기서, 은 수신 안테나간의 상관값으로 구성된 수신 상관 행렬의 반자승 행렬을 나타내고, 은 송신 안테나간의 상관값으로 구성된 송신 상관 행렬의 반자승 행렬을 나타내며, 는 무선 채널에서의 채널값으로 구성된 행렬이다.

실제로 수신단에서 측정한 채널 행렬()은 송신 안테나간의 상관값, 수신 안테나 간의 상관값, 무선 채널 환경에서의 채널값이 모두 포함된 값이기 때문에 채널 행렬()로부터 송신 안테나간의 상관값만을 따로 분리해 내는 것은 현실적으로 매우 어렵다.

따라서 수신단의 MCS선택부(23)는 실제로 수신단에서 측정 가능한 채널행렬()의 고유값(eigenvalue) 및 고유벡터(eigenvector)를 이용하여 STTD 및 빔형성을 위한 웨이트 값을 계산한 다음 그 계산된 웨이트값을 송신단으로 피드백한다. 본 발명에서는 실제로 수신단에서 측정 가능한 채널행렬()의 고유벡터를 송신단의 빔형성을 위한 웨이트값으로 사용한다.

따라서, 송신단의 변조기(11,12)와 STTD인코더(13,14)는 수신단에서 피드백된 MCS를 이용하여 송신할 심볼(데이터 스트림)에 대하여 변조 및 STTD를 수행하고, 빔포밍부(15,16)는 STTD된 심볼에 수신단에서 피드백된 고유벡터(웨이트값)을 곱하여 빔 형성을 수행한 다음 각 송신 안테나를 통하여 전송한다.

예를들어, 2개의 송신 안테나를 가정할 경우 송신단은 다음의 [수학식 5]과 같이 STTD와 빔형성이 결합된 형태로 심볼을 전송할 수 있다.

[수학식 5]

여기서 는 실제 수신단에서 측정 가능한 채널 행렬()의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터를 나타내며, 는 2개의 송신 안테나를 사용할 때 로 정의될 수 있다. 이때 및 ()는 의 고유값이며, 는 심볼에너지를 나타내고, 는 가우시안 잡음의 에너지를 나타낸다.

그리고, 본 발명에 따른 방법은 2개의 송신 안테나에 국한하지 않고 4개 혹은 그 이상의 안테나를 송신단에서 사용할 경우에도 확장할 수 있다.

도 3은 4개이상의 송신 안테나를 사용하는 빔형성과 결합된 STTD 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

STTD시스템을 통해 전송될 심볼(신호)은 역다중화기(30)에서 역다중화된 후 STTD쌍(각 STTD쌍은 변조기,STTD인코더 및 빔포밍부를 포함한다)로 입력된다. 각 변조기(31,32) 및 STTD인코더(33,34)는 수신단에서 피드백된 MCS를 참고로 선택된 변조 및 코딩 레이트(coding rate)를 이용하여 전송신호를 각각 변조 및 코딩하고, 빔포밍부(35,36)는 각 STTD인코더(33,34)에서 시공간 부호화(STTD)된 심볼에 수신단에서 피드백된 고유벡터를 곱하여 빔형성을 실시한 다음 각 송신 안테나쌍을 통하여 전송한다.

수신단에서는 상기 MCS 및 고유벡터를 알고 있기 때문에 각 STTD디코더(37,38)및 복조기(39,40)는 MCS 및 고유벡터를 이용하여 수신신호를 디코딩 및 복조하고, 각 복조기(39,40)에서 복조된 수신신호는 다중화부(41)에서 직렬 데이터로 변환되어 원래의 심볼로 복원된다.

이때, 수신단의 채널 예측기(42)는 수신신호를 수신하여, 실제 수신단에서 측정 가능한 채널행렬을 추정하고, 안테나 분리 및 MCS선택부(43)는 상기 추정된 채널행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터를 웨이트벡터로서 송신단으로 피드백한다.

도 3을 참조하면 4개이상의 송신 안테나를 이용하여 심볼(스트림)을 전송하는 경우 본 발명은 각 송신 안테나 쌍에 대하여 STTD와 빔형성을 실시한다. 즉, 4개의 송신 안테나가 구비된 경우 각 빔포밍부(35,36)는 예를들면 각 안테나쌍(1,2),(3,4)에 대하여 각각 상기 [수학식 5] 및 다음 [수학식 6]과 같이 빔형성을 수행한다.

[수학식 6]

여기서, 는 송신 안테나(3,4)에 대하여 실제 수신단에서 측정 가능한 채널행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터로서 수신단에서 피드백되며, 는 로 정의될 수 있다. 이때 및 ()는 송신 안테나(3, 4)에 해당하는 실제 수신단에서 측정 가능한 채널행렬의 고유값을 나타낸다.

따라서, 짝수개의 안테나가 송신단에 구비되어 있는 경우 2개씩 쌍을 지어 STTD 및 빔형성을 실시하여 신호를 전송한다면 상기 2개의 송신 안테나를 사용할 경우의 신호 송신방법을 동일하게 적용할 수 있게 된다. 특히, 4개 이상의 안테나를 사용하는 경우 2개씩 쌍을 지어 STTD 및 빔형성을 순차적으로 수행함으로써 직교코드(orthogonal code)의 장점을 활용할 수 있음은 물론 수신단(단말)에서 피드백해야할 웨이트 값의 양도 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

즉, 4개의 송신 안테나를 사용하는 경우 STTD후에 2개의 안테나쌍을 통하여 신호를 전송하기 때문에 2개의 데이터 스트림(stream)을 동시에 전송할 수 있으며, 수신단에서 피드백해야 할 웨이트 값도 4개(, , , )에 불과하다. 그런데, 만약 4개의 안테나 각각을 통하여 독립된 데이터 스트림을 전송할 경우에는 전송될 신호에 차원(dimension)이 4×1인 4개의 웨이트 벡터를 곱해야 하기 때문에 수신단은 총 16개의 복소수 값(고유값)을 송신단으로 피드백해야 한다.

따라서, 4개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 본 발명과 같이 2개씩 쌍을 지어 STTD를 수행한 다음 각 안테나 쌍에 대하여 빔형성을 실시하면 4개의 복소수 값만을 귀환하면 충분하므로 피드백 정보의 양이 현저히 줄어든다.

또한, 4개 안테나를 사용하여 STTD 및 빔포밍을 수행하는 경우에는 안테나 쌍은 (1,2) (3,4)외에도 여러 안테나 쌍의 조합을 생각할 수 있으므로 수신단의 안테나 분리 및 MCS선택부(43)는 모든 안테나쌍(측정된 가능한 채널행렬)에 대한 신호 대 간섭 잡음비(SINR)를 계산하여, 가장 큰 SINR을 갖는 즉, 순간 최대 수신 데이터량이 가장 큰 송신 안테나 쌍을 송신단으로 피드백하여 줄 수 있다. 이때 안테나 분리 및 MCS선택부(43)는 선택된 안테나 쌍에 해당하는 채널 행렬을 구성하여 빔형성을 위한 웨이트값을 계산하여 피드백한다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따른 신호 전송방법은 STTD의 장점과 빔형성을 장점을 함께 살려 송신단에서 여러개의 데이터 스트림(심볼)을 독립적으로 전송할 경우에 매우 효과적인 방법이라고 할 수 있다. 본 발명에서는 4개 송신 안테나를 사용하는 경우의 예를 들어 설명하였으나 4개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우라고 할 지라도 2개씩 쌍을 지어 확장할 수 있으므로 확장성에는 문제가 없다.

상술한 바와같이, 본 발명은 다수의 안테나를 사용하는 경우 2개씩 안테나 쌍을 지어 STTD 및 빔형성을 함께 실시하여 다수의 데이터 스트림을 전송함으로써 STTD의 장점 및 빔형성의 장점인 데이터 전송 속도 및 데이터 수신율을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 빔형성 실시를 위한 웨이트 벡터도 수신단에서 측정 가능한 채널행렬의 고유벡터를 사용하기 때문에 현실적으로 적용하기에 적절하다고 할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래의 빔형성이 결합된 STTD시스템을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 적용되는 빔형성이 결합된 STTD시스템의 제1실시예를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 적용되는 빔형성이 결합된 STTD시스템의 제2실시예를 나타낸 도면.

*******도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ********

30 : 역다중화기 31,32 : 변조기

33,34 : STTD인코더 35,36 : 빔포밍부

37,38 : STTD디코더 39,40 : 복조기

41 : 다중화기 42 : 채널 예측기

43 : 안테나 분리 및 MCS선택부

Claims

송신 심볼에 대하여 시공간다중화(STTD) 및 빔형성을 수행하여 송신 안테나를 통해 전송하는 시공간전송 다이버시티(STTD)시스템에 있어서,

2개의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 각 송신 안테나에 대하여 시공간 다중화하고, 각 송신 안테나에 대한 채널행렬의 고유벡터를 웨이트 벡터로 사용하여 빔형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.
제1항에 있어서, 상기 채널행렬은

송신 안테나간의 상관값, 수신 안테나 간의 상관값 및 무선 채널 환경에서의 채널값을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.
제1항에 있어서, 상기 고유벡터는

수신단에서 송신단으로 피드백되며, 수신단에서 측정한 채널행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터인 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.
송신 심볼에 대하여 시공간다중화(STTD) 및 빔형성을 수행하여 수신단으로 전송하는 시공간전송 다이버시티(STTD)시스템에 있어서,

4개 이상의 송신 안테나를 사용하는 경우에는 2개씩 송신 안테나쌍을 형성하여 시공간 다중화하고, 각 송신 안테나 쌍에 대한 채널행렬의 고유벡터를 웨이트 벡터로 사용하여 빔형성을 수행하는 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.
제4항에 있어서, 상기 빔형성에 사용하는 웨이트 벡터는

각 안테나 쌍에 대한 수신단에서 측정한 실제 채널 행렬의 고유 벡터인 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.
제4항에 있어서, 상기 고유벡터는

수신단에서 송신단으로 피드백되며, 수신단에서 실제로 측정한 채널행렬의 최대 고유값에 해당하는 고유벡터인 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.
제1항에 있어서, 상기 수신단은 순간 최대 수신 데이터 량이 가장 큰 송신 안테나 쌍과 해당 안테나 쌍에 대한 채널행렬의 고유벡터를 수신단으로 피드백하는 것을 특징으로 하는 신호 전송방법.